浅谈城镇集中供暖高温热水直埋管道工程的设计与施工

2022-05-25王浩祥

大科技 2022年20期

王浩，王浩祥

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430000）

0 引言

直埋供热管道的施工方式，主要是将供热管道敷设于地表以下，既可减少对地面上空间资源的的浪费，也减少了对城市景观的影响。由于管道埋设于地下，因此在施工过程中会有许多不便，对施工人员技术水平要求也较高，并且后期的维护也会更加烦琐。为减少工程建设的后期维护工作，对供暖管道工程进行良好设计与施工具有十分重要的意义。

1 直埋供热管道的应用特点

在目前的市场上，直埋式供热管道的种类很多，不同的管材在性能上也存在着很大的差异，尤其是采用聚氨酯泡沫预制直埋保温管。通过对这种管材的广泛使用，我们可以得到如下结论：它本身不但隔热能力强，满足了供热管线的需要，而且还具有防腐、防水等特点[1]。在实际施工中，由于施工方便，可以有效地减少整个项目的工期，减少施工单位的成本。同时，通过实践证明，这种管材的使用寿命比常规的管材要长，这种管材不仅具有良好的隔热效果，而且其导热率也低于其他管材，而且还具有很好的环境保护作用，更加符合当前的绿色发展思想。

结合输送介质的技术要求，供热钢管可采用有缝钢管、无缝钢管、双面埋弧螺旋焊接钢管等进行施工。直埋的热力管道内压一般比较低，内压引起的应力不足的状态下，允许值在50%左右。直接爆破破坏的可能性比较小，最大可能是温度应力会导致塑性疲劳破坏。因此，在选择管材的过程中，则需要从抗疲劳性的角度进行分析，所以，要选择塑性比较好、容易焊接的材质，一般选择20#钢为最适宜。轴向温度应力变化与管壁横截面积的大小没有关系，增加壁厚并不能降低管壁内的轴向应力。相反，可能会增加对固定墩的推力以及过渡段的热伸长量。因此，管壁可尽可能选择比较合适的规格、厚度材料进行施工。

2 直埋供热管道的分类

2.1 直管和弯管

直管部分：该直线段还可以称为过渡段或锚固段（也可以称为无补偿管段、嵌固段）。过渡部分：管道部分的实际活动能力可以更好的解决管道内部的限制反作用力，从而有效的将所有的热膨胀都给释放出来。在过渡部分，通常都会有一个自由的末端，可以随意的伸缩，例如补偿器、弯曲件，以及其他的一些材料。过渡段的最长长度取决于土壤的实际摩擦力，也取决于实际的安装方式，以及周围的环境。弯曲的部分。L 型管道与沟槽之间的铺设工作可以采用L 型架空方式，这与自然补偿装置相比有很大相似[2]。至于Z 型管，一般都可以用两个L型的补偿装置来完成，但必须要考虑到两个L 型的管子，在合适的情况下，Z 型补偿器就可以进行相应的施工。

2.2 有补偿管段和无补偿管段

由于补偿器可以有效地补偿在过渡段内的管子所引起的热膨胀，所以该过渡段也被称为有补偿的管段。而没有补偿的管段，则是因为在锚固段内的热胀率达到了一定的极限，所以可以通过补偿器来补偿管道里面的热膨胀[3]。

3 高温热水直埋供热管道结构的确定

高温热水直埋管线是直接埋在地下的，其自身也起到了承载和隔热的作用。但哈尔滨地区，尤其是沿河一带，地下水位高，土壤湿度大，对保温结构有很高的要求，应具有良好的防水、防腐蚀、保温、耐高温、具有一定的机械强度和易于施工的特点。所以，对于高温热水管道的直埋式保温管道，应采取复合保温结构。高温热水直埋保温管道的复合保温结构包括：高温热水、螺旋钢管、耐高温防腐层、保温层和防护层。采用GF 防腐涂层对高温热水直埋保温管道进行了防腐处理，保温材料为聚氨酯泡沫，保护层为聚乙烯（polyethylene, PE）或纤维增强复合材料（fiber-reinforced polymer, FRP）外套管。高温热水直埋管道复合绝热结构是指利用聚氨酯泡沫材料具有较好的隔热、防水性能；通常采用3～5mm厚的玻璃钢或5～10mm 的聚乙烯外套管，FRP 可以通过机械或人工进行，成本低廉，防水效果好，可以加工成任何直径的管材，并且可以防止在大直径时出现纵向裂纹。在绝热接头处，必须严格按照技术规范进行加热和保温。

4 直埋管道的设计与施工

4.1 管道布置

直埋的暖气管道在对河床进行覆盖的时候，具体的深度要根据水流的实际情况和管道的稳定性来决定。而直埋式供暖管道与装置的实际水平或垂直中的实际间距必须按照有关的规范要求来确定。直埋供热管道的布置要符合国家现有标准《城市热力网设计规范》的相关规定，在管道布置中，保证管道布置的盒里，并对管道敷设的可行性以及安全性等进行评估。热力网的布置则需要阿紫城市建设规划的指导下，分析热负荷的分布、热源的位置，并从地下管线与构筑物的角度，对直埋管道的布置与规划进行完善，结合热负荷的分布、热源的位置，与地上、地下管线与构筑物之间建立有效的关联，对直埋管道的布置合理性、科学性提升等方面有促进作用。

4.2 管道敷设

直埋的供暖管道应该采取自然的角度补偿，10°～60°的弯头是不能有效的；管道的斜率不能低于2%，高的位置应该设置阀门，低的位置应该设置排水阀门。管子里面的平面角度要比指定的尺寸小，这种变化对管道的影响是很大的，因为管道的直径越大，这种弯角就越小。为了确保直埋管在垂直方向上的稳定性，必须要达到相应的设计规范。如果必须减少管道的轴向作用力，则可以采取相应的补偿措施或是其他较为有效的办法。直埋供热管道的敷设是根据长直管段是否允许出现无补偿管道，在直埋管道敷设的过程中，在调整补偿装置间距的基础上，对管段的应力变化进行控制，提高直埋供热管道敷设的综合水平。直埋供热管道的敷设要尽可能的减少管道轴向力，利用补偿器对管道进行预处理，并通过管道敷设与补偿装置处理，提高敷设热力管道的综合处理水平。在管道敷设处理的过程中，则需要根据温度应力变化，对直埋供热管道的塑性进行检验，在直埋供热管道作用与应力变化分析下，对温度、压力的大小等进行评估啊，通过荷载作用分析，提高直埋管道的综合施工控制水平。在直埋供热管道的局部结构分析中，课从循环变化以及弯曲应力变化的角度进行分析，在直埋供热管道的敷设中，课对热应力变化以及管道敷设等进行优化，提高直埋供热管道的敷设水平提升。

4.3 直埋供热管道安装

由于在初步设计阶段，埋地管线的实际斜率必须在2%以上。这种情况下可以对阀门进行正确的安装，确保安装排水阀。有些管道需要安装支管，所以要根据实际情况，在支管上安装一个固定桩，或者是一个轴向补偿器。埋地管线的承重必须要达到最大的承载能力，目前大多数采用的都是钢铁阀门，一般都是采用焊接。一般情况下，固定装置和补偿装置的安装位置都是在管道内发生了很大的变化，然后在安装固定支架的时候，在管道的厚度比较大的地方进行安装。一般的管道，都是用手来进行焊接，需要有经验的工人来完成。在进行焊接的时候，必须要保证焊接的质量，而且在完成了焊接的时候，还要仔细的检查一下焊接的质量，然后再进行下一步的工作。

4.4 管道保温、试运行

在完成相应的小试验和安装工作后，还要进行相应的保温处理。首先，直埋式供暖管道的关键在于它的隔热性能，在相同的管路中，要确保整体的隔热效果，所选用的保温材料一定要相同；其次，在安装之前，清洁完毕后，要对管道进行干燥，确保管道内不会有任何杂质，而且不会有过多的水分。目前，回填区分为人工回填和机械回填两种，为了节省人力，一般都会采用机械回填。回填管头的回填量有很高的要求，如果采用机械回填，则会影响回填的力量，因此，对于管顶，应采用人工回填，以取得最佳的回填效果。在回填过程中，会对管线造成一定的压力，必须确保管线的两端都要进行充填，这样就不会出现一方回填给出的压力，从而造成管线的位置偏差，在实际运行之前，直埋供热管线必须进行试运行，并对其进行全面的质量检测。

4.5 砂层回填

在进行回填时，所采用的原材料为砂，在进行回填时，应确保砂的质量、尺寸、干湿度符合有关规定。在进行回填前，要严格控制回填过程中所用的泥土，不允许有破碎的混凝土和碎石，同时要做好土壤的密度试验，不能用冻土、淤泥等。在回填区的施工中，每一次回填结束后，都要进行一次密度试验，每一次的密度都达到了要求，才能进行下一步的工作。在对中段进行回填时，应确保管线的位置不会出现偏差。在回填完毕后，还要由专业技术人员检查整个回填层的密度和高度，回填层的厚度不得小于200mm，回填层的密度不得小于95%。

4.6 直埋供热管道的施工安装

直埋供热管道的应力是热胀变形导致出现应力被破坏，影响直埋供热管道的安装与应用水平。因此，选择不同的安装方式，可以改变热胀变形的大小以及变形释放程度，并改变直埋供热管道的应力水平。热胀变形的大小以及零应力状态，与直埋供热管道的温度变化有直接的关系，在这一过程中，零应力状态温度的提高，可以相对降低直埋供热管道的热胀变形尺寸。结合直埋供热管道的温度变化，可以从冷安装以及有补偿安装的方式进行处理，在实际安装的过程中，冷安装是零应力状态下，直埋供热管道的温度与环境温度保持相对一致，预应力安装则是在零应力的状态下，根据直埋供热管道的热胀变形状态，对补偿装置之间的关系以及滑动状态等进行检验与分析，在利用补偿装置的基础上，分析直埋供热管道的热胀变形状态，利用预制保温管直埋敷设的方式，提高直埋供热管道敷设的安全性。在对直埋供热管道敷设设计与安装等进行优化中，则需要对直埋供热管道的应力集中变化以及固定增效变化等进行检验与分析，通过补偿装置的应用，对直埋供热管道的敷设安装过程进行优化，提高直埋供热管道敷设安装水平。

5 直埋供热管道防破坏的有效手段

5.1 循环塑性破坏

管道温度在管道工作循环中，最高温度与最低温度发生变化中，所产生的应力变化是循环塑性破坏的关键因素。锚固状态以及滑动状态的管道，应力变化与安装环境温度之间没有明显关系，预应力安装的过程中，则需要解决循环塑性呗破坏的问题。锚固状态的直管段无法满足循环塑性破坏安定性条件中，锚固状态的管道可以通过无补偿安装的方式进行施工。在直管段设置补偿装置，则需要通过对补偿装置的间距进行调整，控制直埋供热管道的应力变化，对提高直埋供热管道的补偿安装控制水平有促进作用。

5.2 防止疲劳被破坏

疲劳破坏是管道的局部位置，由于应力集中导致局部循环塑性变形，影响直埋供热管道的实际应用效果。直埋供热管道的弯头、折角、变径以及三通等管件会产生应力集中的情况，从温度以及压力变化的角度进行分析，应力集中会导致峰值应力出现变化，在局部范围内会产生循环塑性变形的情况，导致疲劳破坏。直埋供热管道出现疲劳破坏与应力变化有直接关系，峰值应力变化范围越大，疲劳破坏的时间也会越短，这会出现局部开裂、漏水等问题，对疲劳强度控制以及直埋供热管道的运行状况等会产生直接的影响。疲劳破坏问题，可通过固定墩加固以及补偿器补偿的方式进行防治，提高直埋供热管道的安装与应用效果。

5.3 失稳破坏问题分析

直埋供热管道的设计中，在遵循循环塑性破坏原则下，还需要对稳定性问题进行分析，并从管道温度的角度，对管道温度变化以及失稳状态等进行分析。在冷安装的条件下，锚固的直管段满足稳定条件下，可利用无补偿冷安装的方式进行安装。供水温度在130℃以下，管径不大于DN500 的热网，通过无补偿冷安装的方式进行施工。直埋供热管道埋深1m 以下，保证直埋供热管道的稳定性。从三通、弯头、折角、大小头、阀门等角度进行分析中，则可通过补偿装置的应用，解决直埋供热管道的稳定性问题，与此同时，通过增加覆土深度的方式，提高直埋供热管道敷设的稳定性。